Qualche considerazione sulle ali anteriori di una F1.

Nel corso egli ultimi anni in F1 abbiamo visto una crescente complessità dell'ala anteriore.Cercheremo qui brevemente di analizzarne le cause, dando due possibili soluzioni.
Negli anni '90, diciamo dopo il 1994, il regolamento prevedeva che l'ala anteriore fosse larga massimo 1400 mm (700 dalla mezzerie del veicolo), doveva essere compresa in una finestra verticale di 200 mm; lateralmente doveva collocarsi tra +350 mm e +900 mm dall'asse anteriore. L'altezza dell'ala rispetto al suolo è stata poi cambiata nel corso degli anni, da  +50 mm dal piano di riferimento (come il fondo) a +100 nel 2001, che sono diventati +150 nel 2005.

Oggi invece l'ala deve stare verticalmente in una finestra tra +75 a +275 mm rispetto al piano di riferimento, è situata tra 450 e 1000 mm davanti l'asse anteriore e deve avere una larchezza massima si 825 mm rispetto al piano di mezzeria, cioè 1650 mm totali.Fino al 2002 circa, la maggioranza delle auto di F1 aveva, sull'ala anteriore solo due profili alari, un profilo principale e un flap, di solito di grandi dimensioni e sagomato con corde e forme al fine di diminuire la resistenza oppure generare opportuni vortici concentrati allo scopo di incrementare la deportanza del fondo.Nel 2002 (anche se qualche anteprima la si era avuta negli anni 95-98 sulle varie Ferrari) la McLaren con Adrian Newey, ha portato la “moda” di scomporre il grande flap dell'ala in almeno due profili (ovviamente di corda ridotta), mentre negli ultimi anni (diciamo dal 2011 in avanti) il numero di profili che compongono l'ala anteriore si è moltiplicato fino a giungere al numero di 5-6 con addirittura 6-7 soffiature nelle zone più di estremità collegate con le paratie lateriali.In contemporanea vi è stata una forte riduzione delle corde dei vari profili e una “detronizzazione” del profilo principale dell'ala che è diventato molto più sottile e con una corda alare molto ridotta, quasi come gli altri profili dell'ala.Attualmente all'anteriore quasi tutte le monoposto hanno da un minimo di 4 ad un massimo di 5-6 profili alari e alcuni di questi profili alari presentano una o addirittura due soffiature all'interno.La domanda a cui cercherò di dare una spiegazione, è perchè nel corso degli anni si è aumentato a dismisura in numero dei profili dell'ala anteriore?Innanzitutto, facciamo chiarezza sul motivo per cui serve avere diversi profili sull'ala.Quando un flusso d'aria lambisce una superficie, esso tende di solito a “seguire” la superficie che incontra e qual' ora quest'ultima sia curva, il flusso d'aria viene incurvato anche lui. Questo comportamento viene disatteso nel momento in cui si “chiede” al flusso d'aria di deviare in maniera eccessiva dalla direzione di avanzamento del corpo.Accade così che se un'ala ha una curvatura eccessiva, lo strato limite (la regione di fluido di spessore qualche millimetro al massimo, che lambisce direttamente il corpo) si stacca dalla superficie che si cerca di fargli seguire. Questo fenomeno si chiama separazione dello strato limite ed accade a causa della forza di attrito tangenziale che agisce tra il corpo e gli strati di fluido a contatto con la superficie; può inoltre essere influenzato (in maniera positiva o negativa) dalla pressione nelle vicinanze del corpo. In pratica la forza di attrito e la pressione esterna allo strato limite, agiscono rallentando le particelle di fluido fino a farle fermare in un punto, in cui il flusso si separa dalla superficie e se ne allontana in maniera normalmente definitiva.La separazione dello strato limite, impedisce perciò di l'uso di superfici con elevate curvature (parliamo di forme convesse rispetto alla direzione del flusso), con evidenti effetti sulle limitate zone di depressione che possono essere create attorno ai corpi.Per evitare questo fenomeno, si usa creare delle così dette “soffiature” che non sono altro che delle fessure che hanno lo scopo di mettere in contatto le zone di sovra-pressione del ventre dei profili alari, con il dorso. L'effetto di “spinta”, generato dal passaggio di una certa quantità di fluido da una zona di alta pressione del ventre dei profili ad una zona di bassa pressione sul dorso del profilo, consente di aumentare la velocità dello strato di fluido attaccato alla superficie nella parte ventrale e allontana quindi il pericolo della separazione dello strato limite dal corpo.
La soffiatura ovviamente va posta in una posizione opportuna, cioè dove il flusso d'aria risulta più “stanco” e prossimo alla separazione. Il “calcio” che riceve dalla soffiatura, consente al flusso sia di essere riaccelerato, sia di rimanere attaccato correttamente alla superficie.Il fenomeno della separazione avviene con maggiore facilità, quando il flusso d'aria che lambisce un corpo è a contatto con quello che si chiama “gradiente di pressione avverso” cioè quando incontra una zona in cui la pressione tende ad aumentare man mano che le particelle avanzano lungo il contorno del corpo.In un profilo alare, di uso automobilistico, la pressione sul dorso del profilo varia da una zona a elevata pressione nel punto del bordo di attacco, ad una zona di bassa pressione (in un punto circa situato nella zona del massimo spessore) per poi ri-aumentare lentamente verso il bordo di uscita; quest'ultimo aumento è quello che è responsabile di solito, della separazione dello strato limite.La separazione può essere evitata o ritardata, con l'inserimento di una o più soffiature, cioè con queste piccole e sagomate fessure che collegano il dorso del profilo alare con il ventre.Negli ultimi anni in F1 si è diffusa la “moda” di spezzettare l'ala anteriore in diversi profili, sottili e di corda ridotta, il motivo è da ricercarsi in diversi fattori che andiamo adesso ad analizzare.Mentre fino alla stagione 2008 compresa, l'ala anteriore si trovava dentro la sagomatura delle ruote anteriori, dal 2009 in avanti questa viene a trovarsi davanti alle ruote stesse, come appare evidente dalle seguenti figure o immagini.

Questo allargamento dell'ala anteriore ha comportato che, come si vede dalla figura seguente, la pressione derivante dalla presenza della ruota anteriore, si propaga anteriormente sull'ala anteriore stessa, creando appunto un campo di pressione caratterizzato dalla presenta di un “gradiente di pressione avverso” cioè muovendoci da sinistra a destra (direzione delle particelle d'aria) verso la ruota anteriore, aumenta, (passando da un colore giallo-arancio verso il rosso, come evidenziato nella seguente figura.
Per contrastare questo fenomeno, ed evitare la separazione del flusso d'aria nella parte dorsale dell'ala, si sono moltiplicati i profili all'anteriore, fino ai 5 profili di oggi.L'effetto della zona a pressione elevata viene quindi limitato, a causa della presenza delle varie soffiature dell'ala che praticamente forniscono “un calcio” allo strato limite attaccato al dorso ogni qual volta il flusso transita all'altezza della soffiatura stessa.Inoltre l'aumento di profili alari e delle relative soffiature, rende la velocità del flusso d'aria sul dorso dell'ala più costante e mediamente più elevata rispetto ad una soluzione a due profili, perchè per 4-6 volte il flusso viene riaccelerato a distanza di pochi centimetri: la deportanza dell'ala stessa così aumenta perchè una zona di bassa pressione viene ripartita su una superficie maggiore.Le prossime due figure illustrano quanto appena detto, nella prima figura vediamo quanto il flusso d'aria, dopo aver accelerato all'altezza del bordo di attacco rallenti nella zona del bordo di uscita, e venga successivamente leggermente riaccelerato dall'unica soffiatura dell'ala presente, in un ala semplice con profilo principale e un solo flap:


Appare evidente l'aumento della pressione mano mano che ci si avvicina alla ruota anteriore, e si nota come la pressione tenda ad aumentare (e quindi la velocità a a diminuire) verso il bordo di uscita del flap.Nelle prossime immagini invece si evidenzia come l'uso di più profili alari consente un aumento di velocità ogni qual volta si incontra una soffiatura e come la pressione tenda ade essere mediamente più bassa (cioè più verde/azzurra)

di Ing. Federico Basile